問題 14

次の各文章の【1】～【18】の中に入れるべき最も適切な字句又は数値をそれぞれの解答群から選び、その記号を答えよ。なお、【8】及び【16】は2箇所あるが、それぞれ同じ記号が入る。(配点計50点) (1) 発電用の蒸気タービンの仕組み、性能及び運転管理について考える。 1) 発電用蒸気タービンでは、負荷の変動に係らず常に所定の回転速度となるように、蒸気加減弁の開度を変えて蒸気流量を調整するシステムがあり、これを【 1 】という。 このシステムにより回転速度を一定に制御しているが、タービンの運転中に負荷が遮断され、定格負荷から無負荷まで急に変化した場合には、蒸気加減弁が急速に絞られても回転速度は増加する。 「定格負荷から無負荷まで変化させて整定したときの回転速度変化量」の「定格回転速度」に対する比を、【 2 】といい、この値は通常【 3 】[%]となるように設計、調整される。

2) 発電用蒸気タービンの性能を表す指標の中で、「発電電力[kW]」に対する「これを発生させるために必要な蒸気量[kg/h]」の比で示したものを【 4 】という。この比の逆数は、単位蒸気量当たりの発電電力を示し、「断熱熱落差×【 5 】×発電機効率」で表される。 3) 蒸気タービンの経年劣化の一因として、ボイラや蒸気管などからはく離した蒸気中の酸化スケールの飛来に伴う翼の【 6 】が挙げられる。経年劣化を把握、評価して経済性及び信頼性の維持を図ることが大切である。

(2) 容積形の内燃機関は、シリンダ内の燃焼ガスが膨張することによる往復動を回転運動に変換して軸動力を取り出す構造を持つものである。ここで、容積形内燃機関における熱効率改善及び構造上の課題について考える。 1) 容積形内燃機関の熱効率向上に関する課題には、燃焼で生成される作動ガスのエネルギーが最も効果的に動力に変換されるような【 7 】の選定、シリンダ内壁から冷却水に逃げる【 8 】の低減、及び往復動に伴う摩擦損失の低減などが挙げられる。その他に、排ガスの残存をなくすような【 9 】の向上とともに、シリンダへの吸気充填性の向上も熱効率向上に必要である。 また、容積形内燃機関の発電への応用では、排ガスや冷却水が持ち去る【 8 】を有効活用する手段を組み込んだ、例えば【 10 】方式の採用などが考えられる。

2) 容積形内燃機関の構造上の課題は、往復動から回転運動に変換して軸動力を取り出す必要があることから、振動等への対策が必要となることである。そのため、複数の気筒を持つエンジンで各ピストンの【 11 】を変えたり、防振効果のある基礎に固定して使用したりするなどの工夫が必要となる。また、急激な動力の変動を防ぐために、【 12 】を設けたりすることが行われる。

(3) ガスタービンに関連したサイクル、主要構成及び保守管理について考える。 1) ガスタービンの理論サイクルは、【 13 】サイクルである。理論サイクルでは損失はないが、実際のガスタービンのサイクルでは圧縮機内部損失、【 14 】内部損失、圧力損失、熱損失、機械損失等の影響を受ける。 2) ガスタービンと蒸気タービンを用いたコンバインドサイクル発電において、複数台のガスタービンと1台の蒸気タービンにより構成されているシステムでは、ガスタービンの台数分の蒸気が得られ、蒸気タービンの容量を大きくすることにより高負荷帯での高効率化を図ることができる。一方で、部分負荷調整やメンテナンス時の運転が難しいため【 15 】運用に適しているといえる。

3) 内部が1500～2000℃の高温となり火炎からの熱放射が大きくなる【 16 】は、内筒が焼損し易いため冷却に工夫が必要である。また、広い負荷範囲にわたり安定した性能を確保しながらNOx濃度も抑制する必要がある。近年特に注目されているNOx低減化手法として、局所的な高温部が生じず均一な温度分布が得られる【 17 】があるが、燃焼の安定する負荷範囲が狭くなる恐れがあるので注意が必要である。 4) タービン翼や【 16 】などの高温の燃焼ガスにさらされる機器の高温部品では、運転時間の経過や起動停止の繰返しによって、クリープや【 18 】に伴う損傷が進行する。このため、これらの機器の開放点検において必要と判断された部品は交換し、再使用可能なものは次回の点検までに補修するなどの対策が行われるが、これら高温部品の寿命消費の評価・管理が重要となっている。